JPH0325272B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、超音波溶接装置並びに該装置に用
いる超音波溶接先端部及び超音波溶接方法に関す
る。超音波溶接装置とその方法は、溶接工程中電
線の拡散又は拡張を回避するため、溶接中電線周
囲を堅固に集束しながら、異つた直径の電線を溶
接するため調節可能な溶接先端部と必要な諸手段
をもつ。溶接先端部は、回動可能で通常の機械工
作で得られる幾つかの代替可能なワーク面を具
え、それによつて一層の耐久性が高まり、製造コ
ストを削減できる。

〔従来の技術〕

第１図は従来の超音波溶接装置を示す。

図において、互いに重なり合つた電線７の端
を、超音波溶接先端部（tip）３と固定支持台５
（例えば、第１図に示すとおり）との間に形成し
に閉鎖溝１の中に配設して、超音波エネルギーを
前記先端部３に付与し、電線を互いに超音波振動
で溶接するものである。超音波エネルギーは、溶
接先端部３が、電線端部の分子相互間を接着する
ため溶接される電線の縦軸に比例して振動するよ
うに付与されるべきである。

振動エネルギーが電線すなわちワークピースに
効率よく伝達されるようにするため、超音波溶接
先端部と固定支持台は、ワークピースを所定個所
に確実に保持するギア状ワーク面９をもつ。

超音波振動の発生方法については、従来、例え
ば、米国特許3053124.3328610、3444612、および
3602421に開示されている。通常の振動周波数は、
１秒間2000サイクルである。

溶接工程中、電線の拡散又は拡張を防止するた
め電線は圧縮チヤンバー内で堅固に集束されるべ
きである。さらに、これら電線の数又はサイズの
変更は、圧縮チヤンバーの断面積の調整を必要と
する。このような調整は装置の交換なしに行なわ
れるのが望ましい。さらに、消耗したギア状表面
を迅速に交換するため複数のギア状表面を形成す
ることが望ましい。こうした要望は、機械工作が
容易な簡素な形状の装置で実現されるべきであ
る。

以上の点に着目すると、第１図の従来装置は幾
つかの不利益を有している。第１に、溶接される
べき電線は、超音波溶接先端部３の切り目（ノツ
チ）４と固定支持台５の切り目２との接合によつ
て形成された溝部に保持されている。接合された
切り目２と４は、調整不能であり、かつ電線７と
ギア状ワーク面９との係合にともない先端部３と
固定支持台５の許容範囲は、溶接中に電線端を可
塑性状態に保ちながら電線端の押出し拡張を防止
するためには重要であるので、所与の超音波溶接
先端部は、唯一のサイズの電線あるいは限られた
数の電線端部にしか適用できない。従つて、種々
のサイズの電線を溶接する必要のある製作工場
は、それに応したサイズの切り目をもつ超音波溶
接先端部を用意しなければならない。

第２に、超音波溶接先端部と固定支持台は、複
雑な形状をもち、それぞれの切り目は、正確な精
度で製作されなければならず、当然製作コストも
上昇する。

最後に、第１図に示すとおり、溶接先端部３
は、２つのギア状ワーク面９を示している。第１
のワーク面９が消耗し、ギザ状の把持部とギア部
の寸法上の精度は、度重なる使用の後、低下す
る。次に、溶接先端部を180度回動すると、第２
のギア状ワーク面が現れる。この第２のワーク面
も摩耗すると、先端部は破棄しなければならな
い。

上述したとおり、この溶接先端部の製造コスト
は高く、切り目のサイズを種々変更可能な先端部
は、交換品を多数そろえた工場でのみ調達でき
る。それ故、こうした溶接先端部の頻繁な破棄
は、費用増大や調達上の不便をもたらすのであ
る。

米国特許第4646957号（Nuss）に記載された電
線（コンダクタ）を接続する装置は、この発明に
関連するものである。

全般的に言えば、この特許は電線の素線（スト
ランド）をもつ電線線用超音波溶接装置について
記載しているもので、この装置は超音波振動を発
生させる発振体（sonotrode）と、発振体のヘツ
ドに対し電線ストランドを圧縮するための可動側
壁をもつ支持部を具える。この支持部は２つの可
動部、すなわち固定発振体面に平行に前後動する
面と前記固定面に垂直に上下動する面をもつ。可
動部は支持部の側壁を支え、固定面と共に種々の
サイズの電線用調節可能な長方形断面の空間をも
つ。可動支持部と発振体の固定面の間の間隙は、
正確に制御される。

この発明と上記Nussの特許との相違点の一つ
は、この発明の溶接先端部は、支持部が固定位置
にある状態のままで移動することである。これに
対し、Nussの特許の発振体は固定しており支持
部は可動する。これは、可動支持部が超音波溶接
ホーン（超音波振動発生部）と共に振動するの
で、重要な相違点である。この場合、溶接の効果
は少なくなる。しかしこの発明のように支持部が
所定位置に係止されると、超音波ホーンのみが振
動し、均一で効果的な溶接が各操作サイクルにお
いて実現可能である。

〔発明の構成〕

この発明に係る超音波溶接装置は、異つたサイ
ズと数の電線（ワークピース）を溶接するため、
固定部、支持部および溶接先端部の間に可動する
集束ブロツクを具えている。溶接先端部は耐摩耗
性があり、断面が簡素な形状で、簡単に製造でき
る構成となつている。この先端部は、そのコーナ
ー部に、必要に応じ回動することにより代替可能
な幾つかのワーク面を有している。

溶接先端部の断面は正方形が望ましく、凸状多
辺形や長方形でもよい。規則正しい多辺形の場
合、各辺は等しいので、それは例えば正方形をさ
す。このような断面の溶接先端部は、その軸を中
心に回動し、軸位置の変更なしに別のワーク面を
示す。

上述したとおり、この超音波溶接装置は、３つ
の主要構成要素すなわち、超音波溶接先端部と、
電線溶接の発生に際し必要となる調節可能な固定
部と、固定部と溶接先端部の間で電線端を集束す
るため支持面に対向した調節可能な集束ブロツク
からなる。固定部は、溶接される電線の束と接触
してギア状ワーク面を変更できるように調節可能
である。これら主要構成要素の断面は長方形状と
なつている。これら構成要素は互いに90度で組合
わされるが、隣接しあう構成要素のコーナー部が
互いに接触しない構成としている。この構成は長
方形断面をもつ４つのワーク面からなる溝形状の
ワーク領域を形成し、各ワーク面は囲繞されたワ
ーク領域の単一面となつている。

電線のワークピースに対して超音波エネルギー
の効率的伝達を実現するため、先端部と固定部の
それぞれのワーク面がギア状を呈している。集束
ブロツクの支持部に対する相関位置は、調節可能
であるので、溶接される電線の直径又は数に従つ
てワーク面の径を変更することができる。固定部
と先端部のギア状ワーク面も調節可能である。か
くて、溶接中電線は可塑状態を保ちながら、拡張
又は押出しを防止するためワーク領域内に電線端
又はワークピースを確実に集束することは、集束
ブロツクと支持体の調節によつて行なわれる。一
方、先端部の回動と、固定部の先端部に対する対
向ワーク面の調節により摩耗は減少し、それによ
りギア状ワーク面の耐久性を増大させる。

集束ブロツクと先端部は、ワーク位置から自由
に回動することができ、電線の挿入と取外しを容
易にする。ワーク領域のサイズを減少させる工程
中、集束ブロツクはまずワークピースを部分的に
圧縮するための支持部に向つて移動する。この
時、集束ブロツクの先端部は、同時に固定部に向
つて移動し、ワークピースを保持・圧縮する。溶
接の終了後ただちに集束ブロツクはまず支持部か
ら離間する。集束ブロツクと先端部も固定部から
離れる。ワーク溝部が開かれると、溶接済みのワ
ークピースは取出され、次に未溶接のワークピー
スが挿入される。

先行技術の溶接方法では、ワークピースの縦軸
に平行に先端部を超音波振動させている。超音波
溶接中、先端部は摩耗してしまい、ギア状ワーク
面は平らになつて電線の把持力はなくなり、超音
波エネルギーの伝達は不能となつてしまう。従つ
て、先端部のワーク面は頻繁に交換する必要があ
る。

〔実施例〕

添付図面に基づいて、この発明の実施例を説明
する。

この発明に係る装置１０は、主支持基台１４に
設けた支持部１２を具える。支持部１２の位置
は、基台１４の上側端部に回動自在に固定しかつ
支持部１２のねじ孔（図示せず）に接続した調節
ねじ１６を回転することによつて、横方向に調節
される。支持部１２は、それが超音波溶接ホーン
に接続した先端部（tip）２０の側部と接触する
まで移動する。先端部２０は断面正方形で、一つ
のギア状ワーク面２２と、コーナーに３つの補助
ギア状ワーク面２４をもつ。支持部１２の上には
ギア状ワーク面２８をもつ固定部（anvil）２６
が設けられている。この固定部２６は、基台１４
に対しその調整位置を確認するため目盛３１をつ
けた調節ねじ３０の回転によつて調節される。調
節ねじ３０は、基台１４上の直立部３３を介し固
定部２６のねじ孔の中に延び、固定部２６のギア
状ワーク面２８が所定位置にきて、先端部２０の
ワーク面２２と対向し平行になるまで回転され
る。先端部２０は、第２図に示すギア状ワーク面
２８に対向して配設することができる。

溶接される電線端３２の束は、ギア状ワーク面
２８と２２と支持部１２の側端面３７によつて囲
まれた一部囲繞ワーク領域３５に差込まれ、一部
囲繞ワーク領域３５を閉鎖ワーク領域３６に変更
させるための集束ブロツク３４の端面３７によつ
て完全に囲繞される。集束ブロツク３４は、基台
１４のピボツトピン４０に回転自在に装着したク
ランクアーム３８の一端にピボツト式に取付けて
いる。クランクアーム３８の他端は、基台１４の
円筒溝部４４の中で摺動自在のピストンヘツド４
２にピボツト式に取付けられる。

集束ブロツク３４のワーク位置は、ピストンヘ
ツド４２を支える基台１４の側壁を介し形成した
ねじ４６の回動によつて調節される。ねじ４６の
右回り回動により、ピストンヘツド４２は、円筒
溝４４の中で横方向に移動する。すなわち、クラ
ンクアーム３８がピボツトピン４０の周囲で左回
り、方向に回動してシヤフト４７の油圧減少をも
たらす。そして、先端部２０の頂部の固定部の端
から集束ブロツク３４を離間させる。一方、ねじ
４６の左回り回動によりピストンシヤフト４７と
ピストンヘツド４２が強制的に元の位置に復帰
し、それにより集束ブロツク３４は固定部２６の
端に向つて移動する。

先端部２０、支持部１２、固定部２６および集
束ブロツク３４のそれぞれの位置の調整は、ワー
ク領域３６のサイズを変更させる上で重要であ
る。それによつて、溶接中の電線の拡散と可塑状
の押出しを阻止するため、ワーク領域３６内に一
又は複数の電線端３２を堅固に集束することがで
きる。さらに、ワーク領域３６の変更可能サイズ
は、他の代替品と交換せずに行なわれるので、費
用削減となり、繁雑さを省くことができる。

電線端３２が挿入され、集束ブロツク３４によ
つてワーク領域３６内に確実に集束されると、電
線端３２の溶接は、20〜40KHzの周波数で電線端
３２の縦軸に平行な方向に先端部２０を振動させ
る超音波ホーン１８により行なわれる。

超音波溶接の反覆により、先端部２０のギア状
ワーク面２２は摩耗してしまう。すなわち、先端
部２０のギア状ワーク面２２は平らになつてしま
い、溶接する物体上の把持部の損傷により超音波
エネルギーの伝達は不可能となる。当然、超音波
振動の効果は失われる。

先端部２０のギア状ワーク面２２が消耗する
と、先端部２０を、超音波端１８の周囲で90度回
転し、先端部２０の補助ギア状ワーク面２４のい
ずれかを固定部２６のギア状ワーク面２８に対向
する位置に配設する。これら補助ギア状ワーク面
２４は、先端部２０のギア状ワーク面２２と同一
であり、これにより先端部２０の寿命は延長され
る。ワーク領域３６に導入された固定部２６のギ
ア状ワーク面２８の長さは、もし全体の把持表面
を必要としない場合、耐久性を保つためねじ３０
の回転によつて調節することができる。

この発明の一つの重要な特徴は、先端部２０、
支持部１２、固定部２６および集束ブロツク３４
の相互の位置は調整できるということである。第
４図に示すとおり、サイズ調節可能な溝部３６で
あるワーク領域は、十分に解放されている。

この段階で、電線端３２′の束は、第２および
第３ワーク面２２と２８によつて仕切られたワー
ク領域３５に挿入される。それぞれのワーク面２
２と２８は、集束ブロツク３４と支持部１２の第
２ワーク面３７と第４ワーク面３９に隣接したギ
ア状ワーク面を形成している。

次に、第５図について説明する。集束ブロツク
３４は、第２ワーク面３７が固定部２６の表面５
０に接触するように固定部２６に向つて移動す
る。第２ワーク面３７は、表面５０と接触可能で
あるが、集束ブロツク３４が表面５０と平行に移
動する場合、摩擦が生じないようにするのが望ま
しい。それ故、約0.001乃至0.002インチの僅少の
間隙が必要である。上記構成要素間の間隙のサイ
ズは、電線端３２′の微細度により調節される。
例えば、電線端が非常に微細である場合、僅少な
間隙を設けることは重要であり、それにより電線
端は構成要素間にひつかかることはない。

第６図に示す次の操作段階で、先端部２０は集
束ブロツク３４と共に上方向に移動し、それによ
つて調節可能溝部３６のサイズは電線端３２′を
圧縮して縮小される。この時、超音波エネルギー
が付与され、電線端は溶接される。

電線端３２′の溶接に続いて、集束ブロツク３
４は、第７図に示す固定部２６の表面５０から離
間される。この時、集束ブロツク３４と先端部２
０は、第４図に示す元の位置に戻る。集束ブロツ
ク３４は、表面５０との摩擦を避けるように固定
部２６から離間されるのが望ましい。

また、溝部３６のサイズを増大させることによ
つて、溶接された電線３２′と支持部１２の第４
ワーク面との間では摩擦は少い。集束ブロツク３
４は、先端部２０より迅速に移動するので、先端
部２０に先立ち移動すると思われる。しかしこの
発明では、先端部２０は、集束ブロツク３４が固
定部２６から離間すると同時に固定部から離間し
始める。しかし、集束ブロツクの移動速度は、先
端部が固定部からかなりの距離移動する機会をも
つ前に溝部３６を解放することになる。

第８図はこの発明の作用を十分に理解するため
の説明図で、クランクアーム３８と集束ブロツク
３４の接続関係を示す断面図である。集束ブロツ
ク３４の中にはスロツト６０が形成されており、
これにより集束ブロツクは、クランクアーム３８
を集束ブロツクに接続する軸６２に対し移動可能
である。

〔発明の効果〕

この発明は、以上述べた構成・作用により例え
ば異なつた直径を有する多数の電線を堅固に集束
しつつ効率良く溶接接続することが可能である。

溶接先端部は、正方形で各辺のコーナー部に代
替可能な４つのワーク面をもつ。一つのワーク面
が摩耗すると、先端部を回動して、別のワーク面
に代替できる。更に、先端部の形状は簡素な構成
なので、製造コストは削減でき、従来と比べワー
ク面の数を増加させている。

第１図に示すとおり、従来のワーク面は二つの
みで、形状は複雑であるため、製造コストは高く
なり、不良品も増大する。この発明の先端部はた
つた一枚の正方形状で構成しており、精度も高ま
り不良品は極めて少なくなり、しかもワーク面の
数も増大させ、製造コストの削減に大きく寄与す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の超音波溶接装置の一部断面正面
図、第２図はこの発明に係る超音波溶接装置の一
実施例の主要部の一部断面正面図、第３図は第２
図装置の全体構造の一部断面正面図、第４図は同
上主要部のオープン形ワーク領域の拡大正面図、
第５図は部分閉鎖状態のワーク領域の一部断面正
面図、第６図は完全閉鎖状態のワーク領域の一部
断面正面図、第７図は電線端溶接後のワーク領域
の離開を示す一部断面正面図、第８図は集束ブロ
ツクの溶接先端部に対する独立した運動を可能に
する集光ブロツク内のスロツトを示す一部断面説
明図である。 １２……支持部、１８……超音波ホーン（超音
波振動発生部）、２０……溶接先端部、２２……
第１ワーク面、２６……固定部、２８……第３ワ
ーク面、３２……電線端、３４……集束ブロツ
ク、３５……第４ワーク面、３６……溝部（ワー
ク領域）、３７……第２ワーク面。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波振動を発生させ、超音波振動の軸に平
   行に配設した第１ワーク面をもつ溶接先端部を有
   する超音波ホーンと、 溶接工程中ワークピースを保持、圧縮するため
   のサイズ調整可能溝部と、 このサイズ調節可能溝部のサイズを縮小させる
   ためのサイズ減少手段と、 を具え、 前記サイズ調節可能溝部は、 第１ワーク面に平行して摺動自在に配設される
   集束ブロツクに形成され、第１ワーク面に垂直に
   設けられた第２ワーク面と、 第１ワーク面との対向量を調節自在に配設され
   た固定部に形成され、第１ワーク面と対向する第
   ３ワーク面と、 前記超音波ホーンに対し進退自在に設けられる
   支持部に形成され、第１ワーク面に垂直に設けら
   れる第４ワーク面と、 を有し、これら第１、第２、第３、第４ワーク面
   によつて構成され、 前記サイズ減少手段は、 第２ワーク面を有する集束ブロツクを、第４ワ
   ーク面を有する支持部に対し進出させる進出機構
   と、 集束ブロツク及び溶接先端部を、固定部に対し
   上昇させる上昇機構と、 で構成したことを特徴とする超音波溶接装置。 ２ 請求項１記載の超音波装置には、サイズ増加
   手段を設け、このサイズ増加手段を、 集束ブロツク及び溶接先端部を、固定部から離
   間させる下降機構と、 集束ブロツクを、支持部から離間させる後退機
   構と、 から構成したことを特徴とする超音波溶接装置。 ３ 超音波ホーンと溶接先端部を具えた超音波溶
   接装置を配設し、 第１、第２、第３、第４のワーク面で囲撓され
   て長方形状をなしその長方形のサイズを調節可能
   にしてワークピースを保持、圧縮する溝部を形成
   し、 この溝部にワークピースをセツトし、 次いで第１ワーク面に直角に配設した第２ワー
   ク面を第４ワーク面に移動させ、 次いで第１ワーク面と第２ワーク面を第３ワー
   ク面に対し移動させて、 前記溝部のサイズを調節するようにしたことを
   特徴とするワークピースの超音波溶接方法。 ４ 超音波振動を発生させ、超音波振動の軸に平
   行に配設したワーク面をもつ溶接ヘツドを有する
   超音波ホーンと、 溶接工程中ワークピースを保持、圧縮するため
   のサイズ調整可能溝部と、 を具え、前記サイズ調節可能溝部は、 ワーク面に平行して摺動自在に配設し、ワーク
   面に直角に配設した端面をもつ集束ブロツクと、 溶接ヘツドのワーク面に対し調節自在に配設
   し、かつ前記溝部の内部に面して溶接ヘツドのワ
   ーク表面に垂直に延在しかつ固定部の下に配設さ
   れた端面をもつ支持部と、を具え、 前記溶接ヘツドのワーク面と、集束ブロツクの
   端面と、固定部のワーク面と、支持部の端面によ
   つて仕切られたことを特徴とする超音波溶接装
   置。 ５ 超音波ホーンと溶接先端部を具えた超音波溶
   接装置を配設し、 ワークピースを保持、圧縮するためにサイズの
   調節可能な溝部を形成し、 前記溝部を部分的に囲撓し、 この部分的に囲撓された溝部にワークピースを
   セツトし、 次いで溝部を全面的に囲撓してワークピースを
   保持、圧縮して超音波溶接するようにしたことを
   特徴とするワークピースの超音波溶接方法。 ６ 電線端を溶接するための超音波ホーンに接続
   される超音波溶接先端部であつて、 溶接される電線端と接触して連続的に回動可能
   な先端部の周囲で複数の代替可能なワーク面を具
   え、凹面から実質的に独立した凸上多辺形断面を
   有し、前記ワーク面は凸状多辺形のコーナー部に
   形成されたことを特徴とする超音波溶接先端部。 ７ 複数の電線端同士を溶接する超音波溶接装置
   であつて、 超音波振動をなす超音波ホーンと、 この超音波ホーンに、回動位置調節可能に接続
   され、凹面から実質的に独立した凸状多辺形の断
   面を有し、凸状多辺形のコーナー部にそれぞれワ
   ーク面を具えた溶接先端部と、 溶接先端部のワーク面の一つに隣接したサイズ
   調節可能溝部と、 このサイズ調節可能溝部の内壁面を移動させる
   移動手段を具え、複数の電線端を閉じ込めるため
   のワーク領域を形成する領域形成機構と、 を具え、前記サイズ調節可能溝部は少なくとも、
   溶接先端部のワーク面の一つを用いることを特徴
   とする超音波溶接装置。 ８ 電線端の超音波溶接装置であつて、 超音波ホーンと、 超音波ホーンに取り付けた回動可能な溶接先端
   部と、 溶接される電線端の保持のため溝部が形成され
   るように溶接先端部に対向して設けた固定部から
   なり、 溶接先端部は、凹面から実質的に独立した断面
   多辺形で、該多辺形のコーナー部に複数のワーク
   面を有し、ワーク面は代替可能で、超音波ホーン
   の周囲で回動できるようにしたことを特徴とする
   超音波溶接装置。 ９ 電線端を溶接するための超音波溶接装置であ
   つて、 超音波ホーンと、 溶接される電線端を保持するため溝部が形成さ
   れように溶接先端部に隣接して設けた固定部と、 前記溝部に接近かつ離間可能に設けられ、溶接
   先端部に対しその最終ワーク位置で前記溝部の一
   壁面を形成する集束ブロツクと、 を具えたことを特徴とする超音波溶接装置。 １０ 複数の電線端同士を溶接する超音波溶接装
   置であつて、 超音波振動をなす超音波ホーンと、 この超音波ホーンに回動位置調節可能接続さ
   れ、断面凸状多辺形を有し、凸状多辺形のコーナ
   ー部にそれぞれワーク面を具えた溶接先端部と、 溶接先端部のワーク面の一つに隣接したサイズ
   調節可能溝部と、 このサイズ調節可能溝部の壁面を溶接先端のワ
   ーク面に移動させる移動手段を具え、サイズ調節
   溝部内に複数の電線端を閉じ込めるためのワーク
   領域を形成する領域形成機構と、 サイズ調節可能溝部内に複数の電線端を閉じ込
   めるための閉じ込め手段と、 を具え、この閉じ込め手段は、 サイズ調節可能溝部の一壁面を構成し、このサ
   イズ調節可能溝部に対し接離可能に移動し得て、
   溶接先端部に対する相関位置によりそのワーク位
   置が設定される集束ブロツクを有し、 かつ前記溶接先端部の少なくとも一つのワーク
   面であることを特徴とする超音波装置。